高速鐵路鋼軌廓形磨耗發(fā)展規(guī)律及打磨周期研究

吳宵 李應(yīng)平 楊懷志 孫小軍 姚鵬輝

（1.中鐵物總運維科技有限公司，北京 100036；2.北京交通大學(xué)機械與電子控制工程學(xué)院，北京 100044；3.京滬高速鐵路股份有限公司，北京 100036）

高速鐵路鋼軌在服役過程中受輪軌載荷、環(huán)境腐蝕、鋼軌維修不均衡等因素的影響，橫向廓形和縱向不平順狀態(tài)逐漸惡化，前者會導(dǎo)致輪軌接觸位置不良、動車組運行不穩(wěn)進而出現(xiàn)晃車、抖車等現(xiàn)象，后者會引起軌面波磨［1-2］。20世紀80年代我國在鄭州鐵路局引進了第一臺鋼軌打磨列車，如今鋼軌打磨已成為鋼軌修理的一項重要內(nèi)容，得到了普遍應(yīng)用［3-5］。鋼軌個性化廓形打磨是指依據(jù)線路實際情況，逐直線、逐曲線地制定精準(zhǔn)的打磨方案，是修復(fù)鋼軌橫向廓形、消除軌面縱向波磨的有效手段［6］。鋼軌打磨的優(yōu)勢在于能繞過復(fù)雜的輪軌動力學(xué)和病害產(chǎn)生機理分析，直接對軌面的傷損進行切削。

目前我國每年高速鐵路鋼軌廓形打磨的延展里程已達1.5 萬km。在鋼軌打磨維修實踐中，普遍存在按固定的2年周期或30 Mt 通過總質(zhì)量來制定打磨計劃，缺乏對鋼軌實際狀態(tài)的評估，導(dǎo)致存在過打磨現(xiàn)象。

針對高速鐵路鋼軌打磨過程中周期制定的問題，對京廣高速鐵路鄭武段鋼軌廓形進行長期跟蹤觀測，分析鋼軌廓形磨耗速率，計算鋼軌磨耗和鋼軌打磨對材料去除的占比及實測廓形的等效錐度變化，對高速鐵路鋼軌打磨周期提出建議。

1 鄭武段鋼軌維修歷程簡介

京廣高速鐵路鄭武段（簡稱鄭武段）于2012年9月28日開通。采用CRTSⅡ型板式無砟軌道，正線均采用60 kg/m的U71MnK鋼軌，一次鋪設(shè)跨區(qū)間無縫線路；車站維修線、安全線采用50 kg/m 的標(biāo)準(zhǔn)軌。無砟軌道全部采用WJ-8C 扣件；有砟軌道在有砟與無砟的過渡段采用WJ-7 型扣件系統(tǒng)，其余采用Ⅰ型彈條扣件。

2014年8月，一CRH3C型動車組在鄭武段上行信陽東至明港東、駐馬店西至漯河西區(qū)段運行時，連續(xù)出現(xiàn)蛇行晃車。經(jīng)現(xiàn)場測量，軌道幾何狀態(tài)整體良好，對局部不良位置進行了精調(diào)整治；對晃車地點的扣件扣壓力、軌下膠墊狀態(tài)進行檢查，無明顯異常。之后該動車組調(diào)轉(zhuǎn)其他線路運行，該區(qū)段沒有再出現(xiàn)蛇行晃車。

2016年6月，部分動車組在鄭武段下行信陽東至孝感北區(qū)間運行時出現(xiàn)晃車。通過對G541 次（車型CRH380A）、G817 次（車型CRH380C）、G279 次（車型CRH380BL）、G93 次（車型CRH380AL）動車組進行持續(xù)追蹤添乘，發(fā)現(xiàn)G541 次、G817 次、G93 次列車集中在鄭武段下行K1031—K1033 和K1037—K1054 區(qū)段運行時出現(xiàn)蛇行晃車。隨后對晃車位置的軌道幾何尺寸進行了全面檢查，未發(fā)現(xiàn)明顯問題，對局部幾何尺寸進行了精調(diào)，并調(diào)整了扣件扣壓力，但晃車緩解不明顯。同時檢查發(fā)現(xiàn)鋼軌光帶存在位置不居中、光帶寬度不均的現(xiàn)象。

2016年11月起，對鄭武段進行鋼軌打磨。結(jié)合動車組蛇行晃車情況，引入了個性化廓形打磨技術(shù)，選取信陽至駐馬店區(qū)間29 km 區(qū)段進行了試驗性廓形打磨修復(fù)。通過持續(xù)追蹤添乘，試驗段在打磨后未出現(xiàn)動車組蛇行晃車現(xiàn)象。

2017年4月起，對鄭武段鋼軌廓形狀態(tài)進行了全面檢測，對全區(qū)段進行廓形打磨修復(fù)，以解決該區(qū)段蛇行晃車病害。

2 鋼軌廓形觀測

2.1 測點布設(shè)及觀測內(nèi)容

選取鄭武段下行K1012+000 至K1022+000 共計10 km 區(qū)段，持續(xù)觀測鋼軌廓形。觀測區(qū)段于2017年4月進行了廓形打磨修復(fù)，自2017年5月起未進行鋼軌打磨或其他人為改變鋼軌廓形的維修施工。觀測區(qū)段每年通過動車組2.6 萬列，其中8 組編組1.5 萬列，16節(jié)編組約1.1萬列，單向年通過總質(zhì)量約21 Mt。

在觀測區(qū)段布設(shè)10對（20個）測點，每對測點間隔1 km，其中1#—10#測點在左股，11#—20#測點在右股。采用接觸式鋼軌廓形儀對各測點的鋼軌廓形進行測量，獲得鋼軌在打磨后不同時間點的廓形，并觀察軌面光帶寬度及位置變化情況。分別在2017年6月、2018年9月、2019年10月進行了3 次觀測，總跨度為28個月。

2.2 觀測結(jié)果

2.2.1 GQI值

鋼軌廓形質(zhì)量可用GQI（Grinding Quality Index）值來表征，反映鋼軌廓形與設(shè)計廓形的吻合程度，GQI值越高表示吻合度越好［6］。各測點在3 次觀測時的GQI 值變化見圖1?？芍?，2017年6月、2018年9月、2019年10月觀測的鋼軌GQI 均值分別為92.6，88.3，87.3，這表明隨著鋼軌廓形的磨耗，GQI值逐漸降低。

圖1 3次觀測的各測點GQI值

根據(jù)觀測區(qū)段所在線路區(qū)間（265 km）的檢測車數(shù)據(jù)，3 次觀測的軌道質(zhì)量參數(shù)（Track Quality Index，TQI）均未超過高速鐵路鋼軌修理標(biāo)準(zhǔn)，TQI均值見表1?？芍€路區(qū)間鋼軌TQI年均增長率為2.2%，觀測區(qū)段TQI年均增長率為5.1%。

表1 線路TQI均值

2.2.2 鋼軌垂直磨耗

以1#測點為例，2017年6月和2019年10月觀測到鋼軌廓形見圖2。其中基準(zhǔn)廓形為60 kg/m 鋼軌E3 標(biāo)準(zhǔn)廓形。

圖2 1#測點磨耗28個月的廓形變化

以標(biāo)準(zhǔn)廓形為基準(zhǔn)，各測點在軌面距內(nèi)側(cè)1/3 寬度點的廓形垂直磨耗見圖3?？芍?，2017年6月、2018年8月、2019年10月平均垂直磨耗分別為1.18，1.36，1.39 mm；在28 個月觀測期內(nèi)，所有測點鋼軌垂直磨耗平均增加0.21 mm，垂直磨耗增加速率為0.09 mm/年。

圖3 3次觀測的各測點廓形垂直磨耗

2017年6月和2019年10月觀察到的1#測點軌面光帶見圖4?？芍摐y點軌面光帶寬度為24 mm，位置居中，輪軌磨耗的發(fā)生主要在光帶區(qū)域。

圖4 1#測點軌面光帶變化

對比各測點3 次觀察結(jié)果，軌面光帶寬度均在20～27 mm，位置居中，均未發(fā)現(xiàn)明顯變化。

2.2.3 鋼軌廓形磨損面積

鋼軌母材磨耗量ΔV可用鋼軌廓形減少面積ΔS與長度L進行積分表示，即

當(dāng)L相同時，可用ΔS衡量鋼軌材質(zhì)磨損情況，如圖5陰影部分面積。

圖5 鋼軌磨損面積示意

以60 kg/m 鋼軌E3 標(biāo)準(zhǔn)廓形為計算基準(zhǔn)，測得各測點在2017年6月、2019年10月的磨損面積見圖6?？芍?8個月觀測期內(nèi)，左股、右股磨損面積平均增加6.4，5.6 mm2。

圖6 各觀測點鋼軌廓形磨損面積

根據(jù)鋼軌廓形磨損面積的統(tǒng)計結(jié)果取平均值，則鋼軌廓形減少面積ΔS=6.0 mm2。按時間（28個月）計算，則其磨耗速率為2.57 mm2/年；按通過總質(zhì)量（年通過總質(zhì)量21 Mt）計算，則其磨耗速率為0.12 mm2/Mt。

3 觀測結(jié)果分析

3.1 鋼軌磨耗與鋼軌打磨對材料去除的占比

在運營期限內(nèi)，鋼軌材質(zhì)的損失可以分為兩部分：一是由輪軌磨損、環(huán)境腐蝕等自然因素引起的，二是由鋼軌打磨、銑削等人為因素導(dǎo)致的。假設(shè)由自然因素引起的鋼軌磨耗速率不變（忽略由于通行動車組增加而產(chǎn)生的磨損速率增加），則每個測點自通車以來鋼軌廓形面積損失中自然磨損的面積可以通過計算得到。

該區(qū)段自開通后共進行4 次鋼軌打磨，共計打磨5遍。不同因素造成鋼軌廓形磨損面積見圖7?？芍航刂?019年10月，觀測區(qū)段鋼軌廓形平均磨損面積為95.6 mm2，其中，由自然因素、人為因素引起的鋼軌廓形磨損面積分別為18.2，77.4 mm2，分別占比19%和81%。

上述結(jié)果表明，在鋼軌維修養(yǎng)護中存在過打磨現(xiàn)象，不利于延長鋼軌使用壽命。高速鐵路鋼軌廓形打磨的重要目的是修復(fù)鋼軌廓形，改善輪軌接觸關(guān)系，同時消除軌面?zhèn)麚p。鋼軌廓形磨耗速率低，輪軌關(guān)系惡化緩慢，可適當(dāng)延長鋼軌打磨周期。期間可安排周期性全覆蓋檢測，同時進行快速打磨維持軌面質(zhì)量。

圖7 鋼軌廓形磨損面積

3.2 鋼軌廓形磨耗對輪軌等效錐度的影響

在輪軌關(guān)系研究中，等效錐度是輪軌接觸幾何中的重要參數(shù)。實踐表明，等效錐度過大或過小會引起動車組運行過程出現(xiàn)晃車或轉(zhuǎn)向架橫向加速度報警［7-8］。等效錐度λ的表達式為

式中：r1，r2為同一輪對的兩個車輪滾動圓半徑；Δr為兩邊車輪的滾動半徑差；y為車輪橫移量。

根據(jù)UIC 519—2014《等效錐度的確定方法》（Method for Determining the Equivalent Conicity），采用實測磨耗車輪踏面，與各測點實測鋼軌廓形進行輪軌匹配分析。在建立輪軌接觸分析模型時，模型中各鋼軌廓形均采用對應(yīng)測點的實測左右股鋼軌廓形。車輪廓形采用實測LMA 車輪廓形和實測LMB 型車輪廓形（非標(biāo)準(zhǔn)廓形），選取水平位移為3 mm 時的等效錐度作為比較值。各測點在28 個月觀測期內(nèi)的等效錐度見圖8。圖中以左股測點編號表示里程位置。

圖8 等效錐度對比

由圖8 可知：與實測LMA 型車輪廓形進行匹配計算時，2017年6月、2019年10月觀測的各測點等效錐度平均值分別為0.014，0.012；與實測LMB 型車輪廓形進行匹配計算時，2017年6月、2019年10月觀測的各測點等效錐度平均值分別為0.043，0.041。若考慮到樣本廓形測量誤差，可看出經(jīng)過28個月的輪軌磨耗和環(huán)境腐蝕，鋼軌廓形與車輪廓形進行匹配時等效錐度平均降低了0.002。

4 結(jié)論與建議

本文通過對京廣高速鐵路鄭武段打磨后10 km 試驗段鋼軌的長期跟蹤，對鋼軌廓形的垂直磨耗和磨耗面積進行了分析，建立輪軌接觸模型，計算輪軌接觸等效錐度的變化情況。可以得出以下結(jié)論：

1）觀測區(qū)段年通過總質(zhì)量21 Mt，在打磨后連續(xù)觀測的28 個月內(nèi)，鋼軌廓形的垂直磨耗增加速率為0.09 mm/年，鋼軌廓形面積磨耗速率為2.57 mm2/年或0.12 mm2/Mt。

2）試驗段從開通運營至今，鋼軌廓形磨耗面積中約81%是由鋼軌打磨的切削產(chǎn)生，19%由于輪軌磨損和環(huán)境腐蝕產(chǎn)生，存在過打磨現(xiàn)象。

3）在持續(xù)28 個月的觀測期內(nèi)，線路TQI 升高不明顯，輪軌關(guān)系中的重要參數(shù)等效錐度變化不明顯。

后期應(yīng)對該線路鋼軌狀態(tài)繼續(xù)跟蹤，根據(jù)鋼軌狀態(tài)動態(tài)適當(dāng)延長鋼軌打磨周期，防止鋼軌過打磨。期間可安排周期性全覆蓋檢測，同時進行快速打磨維持軌面質(zhì)量。本文觀測結(jié)果也可為鋼軌廓形磨耗仿真研究及類似的高速鐵路制定鋼軌打磨周期提供參考。